为什么未对齐的地址访问会导致2次或更多次访问？

Question

为什么数据对齐可以更有效地访问并简化CPU设计的正常答案。

相关问题及其答案为here。另一个来源是here。但他们都没有解决我的问题。

假设CPU的访问粒度为4个字节。这意味着CPU一次读取4个字节。我上面列出的材料都说如果我访问未对齐的数据，比如地址0x1，那么CPU必须进行2次访问（一次来自地址0x0,0x1,0x2和0x3，一次来自地址0x4,0x5,0x6和0x7）并结合结果。我不明白为什么。当我发出访问地址0x1时，为什么CPU不能从0x1,0x2,0x3,0x4读取数据。它不会降低性能并导致电路复杂化。

提前谢谢！

Answer 1

  

它不会降低性能并导致电路复杂化。

我们认为这是一个错误的假设，因为它确实会进一步加深理解。

Your comment在另一个问题中使用了更合适的措辞（“我不认为它会降低”......）

您是否认为内存架构并行使用多个内存芯片以最大化带宽？并且特定数据项只在一个芯片中，你不能只读取最方便的芯片，并期望它拥有你想要的数据。

现在，CPU和内存可以连接在一起，使得0-7位仅连接到芯片0,8-15连接到芯片1,16-23连接到芯片2,24-31连接到芯片3。所有整数N，存储单元4N存储在芯片0，芯片1中的4N + 1等，并且它们是每个芯片中的第N个字节。

让我们看看存储在每个存储芯片的每个偏移处的存储器地址

memory chip       0       1       2       3
offset

    0             0       1       2       3
    1             4       5       6       7
    2             8       9      10      11
    N            4N    4N+1    4N+2    4N+3

因此，如果从内存字节0-3加载，N = 0，每个芯片报告其内部字节0，这些位都会在正确的位置结束，并且一切都很好。

现在，如果您尝试从内存位置1开始加载一个单词，会发生什么？

首先，我们看一下它的完成方式。第一个存储器字节1-3，存储在偏移0的存储器芯片1-3中，最终位于第8-31位，因为即使您要求它们位于0-23位，这也是这些存储器芯片所连接的位置。这不是什么大问题，因为CPU可以使用与逻辑左移相同的电路在内部调动它们。然后在下一个事务存储器字节4（存储在偏移1的存储器芯片0中）被读入0-7位并且被调到第24-31位，你想要它。

在这里注意一些事情。你要求的字是在偏移量之间分开的，第一个存储器事务从三个芯片的偏移量0读取，第二个存储器事务从另一个芯片的偏移量1读取。这就是问题所在。你必须告诉存储器芯片偏移量，这样它们才能发回正确的数据，偏移量大约为40位，信号速度非常快。现在只有一组偏移信号连接到所有存储器芯片，为了进行未对齐存储器访问的单个事务，您需要运行到每个存储器芯片的独立偏移（称为地址总线BTW）。对于64位处理器，您将从一个地址总线更改为八个，增加近300个引脚。在CPU使用700到1300个引脚的世界中，这几乎不能称为“电路没有太多增加”。更不用说来自许多额外高速信号的噪声和串扰的大幅增加。

好吧，这并不是那么糟糕，因为地址总线上一次最多只能有两个不同的偏移，一个总是另一个加一个。因此，您可以通过一条额外的线路到达每个存储器芯片，实际上说（读取地址总线上列出的偏移量）或（读取下面的偏移量）这是两种状态。但现在每个内存芯片中都有一个额外的加法器，这意味着它必须在实际进行内存访问之前计算偏移量，这会降低内存的最大时钟速率。这意味着如果您希望未对齐访问更快，则对齐访问会变慢。由于99.99％的访问权限可以进行对齐，因此这是净损失。

这就是为什么未对齐访问分为两个步骤的原因。因为地址总线由所涉及的所有字节共享。这实际上是一种简化，因为当你有不同的偏移时，你也有不同的缓存行，所以所有缓存一致性逻辑必须加倍才能处理CPU内核之间的两次通信。

Answer 2

在我看来，这是一个非常简单的假设。该电路可能涉及多层管道和缓存优化，以确保读取某些内存位。此外，内存读取也被委托给内存子系统，这些内存子系统可以根据性能和设计复杂性不同的顺序构建，以便按照您的想法进行读取。

然而，我确实添加了警告，我不是cpu或内存设计师所以我可以说一个缸。

Answer 3

问题的答案就在于问题本身。

CPU的访问粒度为4个字节。 因此它只能以4个字节的块来填充数据。

如果您访问过地址0x0，CPU会给出从0x0到0x3的4个字节。

当您发出从地址0x1访问数据的指令时，CPU会将其作为从0x1开始的4字节数据的请求（即0x1 to 0x4）。这不能以任何其他方式解释，主要是因为CPU的粒度。因此，CPU会从0x0 to 0x3＆amp; 0x4 to 0x7（ergo，2次访问），然后将0x1 to 0x4的数据放在一起作为最终结果。

Answer 4

寻址4个字节，第一个字节在左侧错位于0x1而不是0x0意味着它不会在字边界上启动并溢出到下一个相邻字。第一次访问将3个字节抓取到字边界（假设一个32位字），然后第二次访问以完成存储器寻址实现的4字节32位字的模式抓取字节0x4。目标代码或汇编程序有效地透明地对程序员进行第二次访问和连接。最好在可能的情况下保持字边界，通常以4个字节为单位。